Ionenbilanzfehler
Jede Messung ist fehlerbehaftet. Die Qualität einer Wasseranalyse wird daher anhand des Ionenbilanzfehlers (Ladungsbilanz) beurteilt. aqion berechnet die Ionenbilanz mit Hilfe von PhreeqC.1
Der Ionenbilanzfehler ΔIB ergibt sich aus der Differenz der Äquivalenzkonzentrationen (eq/L) der Kationen und Anionen nach folgender Gleichung:2
| (1) | \(\Delta \textrm{IB} \, = \, \dfrac{\sum \textrm{Kationen} \ - \mid\sum \textrm{Anionen}\mid}{\sum \textrm{Kationen} \ + \mid\sum \textrm{Anionen}\mid} \, \times \, 100\) |
ΔIB wird in Prozent ausgegeben und entspricht dem “relativen Fehler” bezogen auf die Gesamtionen-Konzentration (Summe aller Ionen im Nenner). Bei der Berechnung von 1 berücksichtigt aqion die Komplexbildung von Ionenspezies.
Da es keine “elektrisch geladenen” Wässer in der Natur gibt, sollte der ΔIB-Wert exakt Null sein. Dieser Idealfall wird in der Praxis wohl kaum erreicht. Dort zählt man Wasseranalysen, deren Fehler unter 5 liegt, als tolerabel.3
Nicht zu vergessen: Der Ionenbilanzfehler einer Wasseranalyse kann auch durch Unvollständigkeit, also nicht gemessene Ionen, verursacht sein. Andere Fehlerursachen sind hier genannt.
Unterschiede zur DIN 38402-62
Der Entwurf zur DIN 38402-62 (Oktober 2013) enthält einen Berechnungsalgorithmus, der sich vor allem in zwei Dingen von 1 unterscheidet:
Erstens. Der Ionenbilanzfehler bezieht sich auf den Mittelwert der Summen der Kationen und Anionen (und nicht auf die Gesamtionen-Konzentration):
| (2) | \(\Delta\textrm{IB}^{\,(\textrm{DIN})}\, = \, \dfrac{\sum \textrm{Kationen} \ - \mid\sum \textrm{Anionen}\mid}{0.5 \ (\, \sum \textrm{Kationen} \ + \mid\sum \textrm{Anionen} \mid\,) } \, \times \, 100\) |
Der Vergleich mit 1 zeigt, dass der Ladungsbilanzfehler der DIN doppelt so groß ist:
| (3) | \(\Delta\textrm{IB}^{\,(\textrm{DIN})} \, = \, 2 \times \Delta\textrm{IB}\) |
Das ist eine rein formale Angelegenheit der Definition, die mit dem “hydrochemischen System” nichts zu tun hat.
Zweitens. Die Komplexbildung wird nicht berücksichtigt. An dessen Stelle bietet die DIN Näherungen, wie man z.B. Alkalinität, Eisen(II)-haltige Wässer, Orthophosphat und saure Wässer zu behandeln hat. Diese Näherungen und Annahmen sind so gestaltet, dass man den ΔIB-Wert ohne großen Aufwand (z.B. mit Excel) berechnen kann, was eine schnelle Plausibilitätsprüfung.
Welche Rolle spielt die Komplexbildung?
Den Hauptanteil aller wässrigen Spezies bilden in der Tat die geladenen Komplexe (Ionen). Darüber hinaus existieren aber auch ladungsneutrale Komplexe wie CaSO4(aq), CaCO3(aq), CO2(aq) usw. Da es sich hier weder um Anionen noch Kationen handelt, sollten diese neutralen Komplexe auch nicht in die ΔIB-Berechnung eingehen. Aufgrund der Speziierung ist aqion in der Lage, diese Größen aus 1 “herauszufiltern”, während die DIN-Vorschrift das nicht tut. Kurzum, anstelle von 3 muss man schreiben:
| (4) | \(\Delta\textrm{IB}^{\,(\textrm{DIN})} \, \approx \, 2 \times \Delta\textrm{IB}\) |
Das heißt, der Ionenbilanzfehler der DIN ist nicht exakt doppelt so groß wie der mit aqion berechnete (aufgrund der Komplexbildung), sondern nur annähernd. Eine Beispielrechnung ist hier gegeben.
Ursachen für Ladungsbilanzfehler
Drei mögliche Ursachen für den Ladungsbilanzfehler sind:
- Analyse- bzw. Messfehler im Labor (grobe und systematische Fehler)
- eine oder mehrere gelöste Spezies (Hauptionen) wurden nicht beprobt
- das Verwenden unfiltrierter Proben, die partikuläre Stoffe enthalten, welche bei Säurezugabe (zu Konservierungszwecken) sich rücklösen.
Anmerkungen